[논문]3축 정자계 상쇄 시스템

김수찬

doi:10.5573/ieek.2013.50.12.270

3축 정자계 상쇄 시스템
3-Axis Static Magnetic Field Cancellation System 원문보기

Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea = 전자공학회논문지, v.50 no.12, 2013년, pp.270 - 276

초록
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자기장에 대하여 우리는 부지불식간에 많이 노출되고 있고 이와 관련된 영향에 대한 연구도 많이 진행되어 왔다. 역학 조사를 통한 연구도 있고, 실험실 수준의 연구도 있다. 실험실 수준의 연구의 경우, 인위적인 자기장 생성을 통해서 세포에 자극을 가하고 이에 대한 영향을 관찰한다. 세포 실험에서 많이 사용되는 주파수와 파형은 다양하지만, 그 크기는 보통 10G 내외이다. 지구 자계의 크기인 300-400mG 정도와 비교하면 크다고 할 수 없으나, 오래 전부터 이 환경에 적응되어 왔기 때문에 인위적으로 가하는 자기장 세기의 3-4%의 크기지만 무시할 수 없다. 본 연구에서는 주변 자기장에 대한 영향을 고려하여 실험할 수 있도록 양방향 정자계 생성이 가능한 자기장 발생 장치를 설계하고 구현하였다. 제안된 시스템으로 조절 가능한 정자계의 크기는 ${\pm}500mG({\pm}50uT)$까지이며 최소 ${\pm}5mG({\pm}0.5uT)$까지 주변 자기장을 실시간으로 상쇄시킬 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

We have been unwittingly exposed to magnetic field. Biological effects due to electromagnetic field exposure has been studied over the past several decades. There has been epidemiological studies and laboratory studies. In the case of laboratory studies, the effect has been observed through the cell stimulation of an artificial magnetic field. The used frequency and waveform are various in the cell experiment, but the intensity of the magnetic field is usually around 10G. Intensity of Earth's magnetic field is about 300-400mG. Although this intensity is not much higher than artificial magnetic field as 3-4% amplitude, we can't ignore the effect because every living thing on earth has already adapted for long time ago. In this study, we have designed and implemented the 3-axis magnetic field generation system in oder to remove the static magnetic field in the real-time and kept its intensity less than ${\pm}5mG({\pm}0.5uT)$ using 3-axis helmholtz coil.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 지자계나 극저주파 자계의 영향을 최소화할 목적으로 주변의 자계를 모니터링하여 능동적으로 역 방향의 자계를 생성시켜 코일 내부의 정자계를 제거하는 장치를 제안하였다. 이를 위해서 코일의 크기 및 감는 회수를 최적으로 설계하는 방법, 단일 전원을 이용한 양방향 자계 제어 방법을 제안하고 구현하였다.
01mG(1nT)이다^[13]. 지자계와 같이 저강도 자계를 측정하는 목적으로 적합하다. 자계의 값은 계측기의 화면으로 표시되고 3개의 BNC 채널을 통해서 아날로그 출력으로 제공되어 컴퓨터나 데이터 로그 장치로 기록이 가능하다.

가설 설정

1. (a) Typical Helmholtz coil (b) Simulated magnetic field distribution when the radius of coil is equal to the distance between coils.

제안 방법

5uT) 이하로 억제할 수 있는 시스템을 개발하였다. H bridge를 이용하여 단일 전원에서 양방향의 자계 제어가 가능케 하여 시스템을 구현 비용을 줄였다. 개발된 시스템을 활용한다면 주변지자계가 세포에 미치는 영향에 관한 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
PC 기반으로 하여 자계 센서로 부터의 데이터 획득과 자계 생성 등의 일련의 반복 작업은 LabVIEW (ver 2012, National Instruments, USA)로 구현하였다. 그림 6과 같이 센서의 아날로그 출력을 컴퓨터로 얻어 자계 측정값의 크기에 비례하는 값으로 출력 전압을 제어하여 자계의 크기를 조절하였다.
빠른 속도의 스위치 전환이 요구될 경우, BJT(Bipolar junction transistor)이나 FET(Field effect transistor) 등을 이용하여 구현하나 제안한 시스템의 경우 지자계와 같은 거의 DC 성분의 자계의 상쇄를 목적으로 하기 때문에 스위치 전환의 속도가 빠를 필요는 없다. 그러므로 각 접점을 솔레노이드 방식의 릴레이(DS2Y-S, Matsushita, Japan)를 사용하여 스위치 기능을 구현하였으며, 입력 제어는 잡음을 최소화하기 위하여 광학 절연기(PC817, Sharp, Japan)를 거쳐 릴레이를 제어하였다.
설계 시 고려하여야 할 코일의 크기와 굵기 등을 반영하여 주변 자계를 ±5mG(±0.5uT) 이하로 억제할 수 있는 시스템을 개발하였다. H bridge를 이용하여 단일 전원에서 양방향의 자계 제어가 가능케 하여 시스템을 구현 비용을 줄였다.
본 연구에서는 지자계나 극저주파 자계의 영향을 최소화할 목적으로 주변의 자계를 모니터링하여 능동적으로 역 방향의 자계를 생성시켜 코일 내부의 정자계를 제거하는 장치를 제안하였다. 이를 위해서 코일의 크기 및 감는 회수를 최적으로 설계하는 방법, 단일 전원을 이용한 양방향 자계 제어 방법을 제안하고 구현하였다.
지자계와 같은 극저주파 혹은 정자계는 주변 환경이나 기기에 의해서 수시로 발생하고 변화된다. 자계가 세포에 미치는 영향을 관찰하는 많은 실험에서 인위적으로 10G 내외의 자계를 발생시켜 그 영향을 관찰한다. 이때 대부분의 연구에서는 그 주변의 기본 자계를 고려하지 않고 실험하였다.
그림 6과 같이 센서의 아날로그 출력을 컴퓨터로 얻어 자계 측정값의 크기에 비례하는 값으로 출력 전압을 제어하여 자계의 크기를 조절하였다. 자계의 방향 제어는 마이크로프로세서의 디지털 포터를 이용하여 제어하였다.
자계의 값은 계측기의 화면으로 표시되고 3개의 BNC 채널을 통해서 아날로그 출력으로 제공되어 컴퓨터나 데이터 로그 장치로 기록이 가능하다. 자동 제어를 위해 BNC 아날로그 출력을 마이크로 프로세서(atmega328, Atmel, USA)의 ADC를 통해서 얻어 그 값을 PC로 전송하였다. 이 값이 0이 되도록 전원의 전압값을 GPIB 통신을 통해서 제어하였다.
제작된 코일을 이용해서 자계 생성을 확인하였다. 자계의 크기는 코일 양단의 입력 전압을 0V∼5V로 변화시킬 때 각각 0∼517mG로 설계한 500mG와 큰 차이가 없었다.
주변 자계의 자연스러운 변화 크기를 ±500mG 이내로 보고 인큐베이트 내에 최대한 넓은 공간을 확보하기 위해 최외곽 코일이 인큐베이터에 맞도록 내경을 38cm로 결정하였다.

대상 데이터

코일에 흐르는 전류를 제어하기 위해 GPIB로 제어가 가능한 전원공급 장치(PS2520G, Tektronix, USA)를 사용하였다. 측정된 가우스 값이 0이 되도록 3축 코일의 양단에 걸리는 전압을 제어하여 전류량을 조절하였다.

이론/모형

주변 자계를 상쇄하는 것과 동시에 내부에 세포나 검사체가 놓여야 하므로 무자계 상태가 유지되는 곳에 빈 공간의 확보가 중요하다. 이러한 이유 때문에 긴 원통 형태의 솔레노이드 코일보다 공간 확보가 용이하고 공기 순환이 용이하여 상대적으로 코일 내 온도 상승이 적은 헬름홀츠 코일 방식을 이용하였다^[9～10].

성능/효과

그림 7은 이론적으로 결정된 코일을 제안된 프레임의 크기로 이용하여 100회 감아 만든 3축 코일의 실물이다. 내부 코일을 코일의 반경만큼 거리를 유지하였을 때 외부 코일의 내부 프레임에 정확하게 맞물리는 것을 확인 할 수 있었다. 직경 0.
그러나 주변 자계가 조금씩 변경되거나 지리적인 위치로 인해 지자계의 차이가 큰 곳에서는 정확히 말하면 동일한 실험 조건이라 말할 수 없다. 비록 미세하고 변화가 크지 않음에도 불구하고 이 영향을 제거할 필요가 있기 때문에 본 연구에서는 이를 위한 실험 장치를 설계하고 구현하여 주변 자계가 상쇄됨을 확인하였다.

후속연구

H bridge를 이용하여 단일 전원에서 양방향의 자계 제어가 가능케 하여 시스템을 구현 비용을 줄였다. 개발된 시스템을 활용한다면 주변지자계가 세포에 미치는 영향에 관한 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자기 잡음을 감소시키는 방법은?	자기 잡음을 감소시키는 방법으로는 수동차폐와 능동차폐 방법이 사용된다. 수동차폐는 외벽을 두꺼운 알루미늄 패널 구조를 만들고 투자율이 높은 뮤(μ) 메탈을 2∼3층으로 부착하는 밀폐형으로 이루어진다[6].
	수동차폐의 단점은?	수동차폐는 외벽을 두꺼운 알루미늄 패널 구조를 만들고 투자율이 높은 뮤(μ) 메탈을 2∼3층으로 부착하는 밀폐형으로 이루어진다[6]. 이 방법은 우수한 차폐방법으로 평가되지만, 차폐유연성이 부족하고 상당한 무게로 인한 제작의 어려움 등으로 인하여 설비비용이 많이 든다. 이러한 이유 때문에 생체에서 발생되는 미세한 자기장을 측정하는 심자도나 뇌자도, 혹은 강한 자계가 발생되는 자기공명영상장치(MRI) 등의 장비가 있는 경우 등에 한하여 이용되고 있다[7～8].
	수동차폐란?	자기 잡음을 감소시키는 방법으로는 수동차폐와 능동차폐 방법이 사용된다. 수동차폐는 외벽을 두꺼운 알루미늄 패널 구조를 만들고 투자율이 높은 뮤(μ) 메탈을 2∼3층으로 부착하는 밀폐형으로 이루어진다[6]. 이 방법은 우수한 차폐방법으로 평가되지만, 차폐유연성이 부족하고 상당한 무게로 인한 제작의 어려움 등으로 인하여 설비비용이 많이 든다.

참고문헌 (13)

http://en.wikipedia.org/wiki/Earth's_magnetic_field
T. Yamazaki and H. Oda, "Orbital influence on Earth's magnetic field: 100,000-year periodicity in inclination," Science, vol. 295, pp. 2435-2438, 2002.

상세보기
Y. S. Ryu, M. Y. Kim, and Y. G You, "Orientation Tracking Method based on Angular Displacement for Wireless Capsule Endoscope," Journal of the Korea Contents Association, vol. 8(2), pp. 27-32, 2008.

원문보기 상세보기
C. Constable, "Geomagnetic Temporal Spectrum," The Encyclopedia of Geomagnetism and Paleomagnetism, 2005.
K. Hansson Mild and M.-O. Mattsson, "ELF Noise Fields: A Review," Electromagnetic Biology and Medicine, vol. 29, pp. 72-97, 2010.

상세보기
B. C. Woo, and et al, "Construction of an Earth's Field Compensation System for the Measurement of.Proton Gyromagnetic Ratio", Journal of Koran Magnetics Society, Vol. 2(2), pp. 156-162, 1992.
J. H. Kim and Y. M, Gimm, "Design of a Magnetic Field Source for In Vivo Experiments at Extremely Low Frequency," The Jornal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 14, pp. 871-877, 2003.
J. H. Kwon, et al., "Helmholtz Coil System for Measuring Magnetic Shielding Effectiveness," The proceeding of Korean Institute of Communication and Information Sciences, vol. 21, pp. 368-371, 1998
K. C. Nam, S. C. Kim, and D. W. Kim, "Development of an ELF(extremely low frequency) EMF(electromagnetic field) Generator", The Jornal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 12(2), pp. 98-104, 2001
S. R. Gyawali, "Design and construction of Helmholtz coil for biomagnetic studies on soybean," University of Missouri--Columbia, 2008.
K. Tashiro, H. Wakiwaka, K. Matsumura, and K. Okano, "Desktop Magnetic Shielding System for the Calibration of High-Sensitivity Magnetometers," Magnetics, IEEE Transactions on, vol. 47, pp. 4270-4273, 2011.

상세보기
http://diyaudioprojects.com/Technical/American-Wire-Gauge/
http://www.trifield.com/content/dc-milligaussmeter-3-axis/

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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